芯片內億萬的晶體管制程工藝

芯片內億萬的晶體管制程工藝

一．原理

晶體管並非是安裝上去的，芯片製造其實分爲沙子-晶圓，晶圓-芯片這樣的過程，而在芯片製造之前，IC涉及要負責設計好芯片，然後交給晶圓代工廠。

芯片設計分爲前端設計和後端設計，前端設計（也稱邏輯設計）和後端設計（也稱物理設計）並沒有統一嚴格的界限，涉及到與工藝有關的設計就是後端設計。芯片設計要用專業的EDA工具。

如果我們將設計的門電路放大，白色的點就是襯底, 還有一些綠色的邊框就是摻雜層。

當芯片設計好了之後，就要製造出來，晶體管就是在晶圓上直接雕出來的，晶圓越大，芯片製程越小，就能切割出更多的芯片，效率就會更高。

舉個例子，就好像切西瓜一樣，西瓜更大的，但是原來是切成3釐米的小塊，現在換成了2釐米，是不是塊數就更多。所以現在的晶圓從 2 寸、4 寸、6 寸、8 寸到現在 16 寸大小，

製程這個概念，其實就是柵極的大小，也可以成爲柵長，它的距離越短，就可以放下更多的晶體管，這樣就不會讓芯片不會因技術提升而變得更大，使用更先進的製造工藝，芯片的面積和功耗就越小。但是我們如果將柵極變更小，源極和漏極之間流過的電流就會越快，工藝難度會更大。

芯片製造共分爲七大生產區域，分別是擴散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、拋光、金屬化。

其中雕出晶圓的最重要的兩個步驟就是光刻和蝕刻，光刻技術是一種精密的微細加工技術。常規光刻技術是採用波長爲2000～4500的紫外光作爲圖像信息載體，以光致抗光刻技術蝕劑爲中間（圖像記錄）媒介實現圖形的變換、轉移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質層上的一種工藝。

光刻技術就是把芯片製作所需要的線路與功能區做出來。簡單來說芯片設計人員設計的線路與功能區“印進”晶圓之中，類似照相機照相。照相機拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。

而蝕刻技術就是利用化學或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質層除去，從而在晶片表面或介質層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反覆進行。例如，大規模集成電路要經過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。

在半導體制造中有兩種基本的刻蝕工藝：幹法刻蝕和溼法腐蝕。目前主流所用的還是幹法刻蝕工藝，利用幹法刻蝕工藝的就叫等離子體蝕刻機。

在集成電路製造過程中需要多種類型的幹法刻蝕工藝，應用涉及硅片上各種材料。被刻蝕材料主要包括介質、硅和金屬等，通過與光刻、沉積等工藝多次配合可以形成完整的底層電路、柵極、絕緣層以及金屬通路等。

驅動之家有一片的CPU的製造過程，《從沙子到芯片：且看處理器是怎樣煉成的》，就從微觀上講解了這個步驟。

在塗滿光刻膠的晶圓（或者叫硅片）上蓋上事先做好的光刻板，然後用紫外線隔着光刻板對晶圓進行一定時間的照射。原理就是利用紫外線使部分光刻膠變質，易於腐蝕。

溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除後留下的圖案和掩模上的一致。

“刻蝕”是光刻後，用腐蝕液將變質的那部分光刻膠腐蝕掉（正膠），晶圓表面就顯出半導體器件及其連接的圖形。然後用另一種腐蝕液對晶圓腐蝕，形成半導體器件及其電路。

清除光刻膠：蝕刻完成後，光刻膠的使命宣告完成，全部清除後就可以看到設計好的電路圖案。

這裏說一下，什麼是光刻膠。我們要知道電路設計圖首先通過激光寫在光掩模版上，然後光源通過掩模版照射到附有光刻膠的硅片表面，引起曝光區域的光刻膠發生化學效應，再通過顯影技術溶解去除曝光區域或未曝光區域，使掩模版上的電路圖轉移到光刻膠上，最後利用刻蝕技術將圖形轉移到硅片上。

而光刻根據所採用正膠與負膠之分，劃分爲正性光刻和負性光刻兩種基本工藝。 在正性光刻中，正膠的曝光部分結構被破壞，被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相同。相反地，在負性光刻中，負膠的曝光部分會因硬化變得不可溶解，掩模部分則會被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相反。

可以說，在晶圓製造中，直徑30釐米的圓形硅晶薄片穿梭在各種極端精密的加工設備之間，由它們在硅片表面製作出只有髮絲直徑千分之一的溝槽或電路。熱處理、光刻、刻蝕、清洗、沉積……每塊晶圓要晝夜無休地被連續加工兩個月，經過成百上千道工序，最終集成了海量的微小電子器件，經切割、封裝，成爲信息社會的基石——芯片。

這是一個Top-down View 的SEM照片，可以非常清晰的看見CPU內部的層狀結構，越往下線寬越窄，越靠近器件層。

這是CPU的截面視圖，可以清晰的看到層狀的CPU結構，由上到下有大約10層，其中最下層爲器件層，即是MOSFET晶體管

二．工藝流程

提煉單晶硅錠

最廉價的硅來源非沙子莫屬，因此半導體材料中採用的硅元素就是從沙子（SiO）中提取出來的。

通常，生產單晶硅錠的公司會將沙子從的硅元素提取出後來經過高溫整形、多次提純等手段得到電子級硅（EGS），純度爲99.9999%。

然後將純硅在1400C的鍋中融化，把包含所需晶體取向的小晶種插入熔融的硅中，再緩慢地（1毫米/分鐘）拔出，這樣硅晶體就被製造成了圓柱形的單晶硅錠，單個單晶硅錠的重量約爲100公斤。

晶圓加工

主要包含兩個步驟：第一步是將單晶硅錠橫向鋸成圓盤，再進行拋光和晶體定向，得到如鏡面般平整的晶圓；第二步是對晶圓進行熱氧化，這個時候純硅會經過充氧的高溫爐，從而在表面形成一層很薄的二氧化硅，作爲晶體管的進時柵極氧化物層。

光刻

所謂的光刻工藝包括掩膜和光蝕刻兩個部分。首先是將具有抗光蝕能力的光刻膠塗敷到晶圓上，在硅基表層形成電路圖案。

然後利用光對準器將晶圓對準掩膜，晶圓將透過掩膜鏤空部分暴露在紫外線下，此時暴露部分的光刻膠變成可溶狀態，從而將掩膜版上的電路結構臨時複製到硅基上。

刻蝕

按光刻機刻出的電路結構，在硅片上進行微觀雕刻，刻出溝槽或接觸孔。

具體來說，刻蝕是利用顯影后的光刻膠圖形作爲掩模，再借助化學液體或等離子體在襯底上腐蝕掉一定深度的薄膜物質，隨後得到與光刻膠圖形相同的集成電路圖形。

離子注入

離子注入是芯片製造工藝中的一種重要的摻雜技術，也是控制MOSFET閾值電壓的一個重要手段。

通常是在真空、低溫的環境下，將磷化氫或三氯化硼雜質離子加速，獲得有一定動能的雜質離子，然後將離子束攝到敷有光刻膠掩膜的晶圓上。

有光刻膠掩蓋的部分，離子束無法穿透光刻膠而被阻擋開來；沒有掩蓋的部分，離子束會被注入到襯底上，實現摻雜，而摻雜深度取決於離子束的能量。

離子注入完成後，必須進行光刻膠的徹底清除工作，才能進入下一環節。

金屬化

金屬化指的是採用沉積等方式將金屬薄膜沉積到晶圓上，再通過金屬薄膜光刻，形成表面金屬連線，將各個元器件連接到一起的工藝。

因此第一步就是要刻蝕出接觸孔。第二步是製備金屬薄膜，主要導電金屬材料可能是鋁合金或金，手段通常包括蒸發、濺射、金屬CVD以及電鍍等，目前金屬CVD因具有很強的臺階覆蓋能力。

第三步是採用光刻和刻蝕工藝或剝離技術去除佈線以外的部分，形成相互連接的金屬導線。第四步是進行合金化的熱處理，從而保證芯片和金屬之間有較好的導電性。

最後是平坦化，減少因晶圓表面的不平整度帶來的光傳播的精確度受損，從而影響其準確地進行圖形制作的一種工藝。這種工藝不僅會被用到表層，當金屬層增加的時候也會被用到中間層中。

晶圓測試

當載有集成電路的晶圓加工出來之後，需要對其進行測試，主要目的是減少封裝的成本，提早篩選出有問題的集成電路模塊（芯片原型）。

具體操作是採用探針測試平臺，在無塵室中根據事先定義好的測試點對芯片原型進行交直流、光照等電氣性能測試。

該測試通過治具可以對測試平臺上的晶圓進行一次性測試，而無需對芯片逐一進行，因此測試效率較高。

切割與封裝

每個晶圓都包含數百至上萬個芯片，通過金剛石鋸將晶圓切割成單片，經過減薄工序，然後針對每一個單片（芯片）進行電氣測試。

如果測試結果有問題，這顆芯片就會被丟棄；如果測試結果合格，該芯片就會被送去封裝。在封裝前，將會使用顯微鏡對芯片進行復檢，只有通過複檢的芯片纔會被真正封裝起來。

封裝測試

對於芯片來說，出廠前測試主要包含三個方面，前兩項分別是晶圓測試和芯片測試。最後一項測試是封裝測試，也就是芯片出廠前測試。據統計，這三項測試將會佔據整個芯片生產成本的比例高達1/4至1/2。

此時的待測芯片已經包裹了一層封裝，沒有那麼脆弱了，因此對於測試環境要求也沒有那麼嚴苛，不需要無塵室測試了。

但是對於封裝測試而言，由於封裝本身的阻擋，測試探針無法觸及芯片內部，測試範圍受到限制的同時，也增加了測試的複雜度。

據悉，一般的芯片封裝測試包括各種環境下的消耗功率、發熱量、運行速度、耐壓度等多項電氣特性測試，在測試過程中往往需要大量的編程、燒錄驗證工序。

有的時候根據客戶的要求，也會做一些針對性測試，看是否滿足客戶的需求。當測試結果一切正常，該芯片就會被打上規格、型號及出廠日期等絲印，等待打包出廠了。